(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号における特定周波数のゲイン特性を下げるノッチフィルタであって、
前記入力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第１の信号を出力する第１のノッチフィルタと、
前記入力信号と前記第１の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第２の信号を出力する第２のノッチフィルタと、
前記第２の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第１の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記入力信号に対して前記加算器の出力信号を出力することを特徴とするノッチフィルタ。
【請求項２】
位置指令を生成して出力する指令生成部と、
前記位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算して電力供給指令を演算して出力する制御部と、を備え、前記位置検出器付きモータと前記モータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
前記位置指令に対して、前記位置指令における特定周波数のゲイン特性を下げて新たな位置指令として出力するノッチフィルタを備え、
前記ノッチフィルタが、前記位置指令を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第１の信号を出力する第１のノッチフィルタと、
前記位置指令と前記第１の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第２の信号を出力する第２のノッチフィルタと、
前記第２の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第１の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記位置指令に対して前記加算器の出力信号を前記新たな位置指令として出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
位置指令を生成して出力する指令生成部と、
前記位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算して電力供給指令を演算して出力する制御部と、を備え、前記位置検出器付きモータと前記モータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
前記モータ位置に対して、前記モータ位置における特定周波数のゲイン特性を下げて新たなモータ位置として出力するノッチフィルタを備え、
前記ノッチフィルタが、前記モータ位置を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第１の信号を出力する第１のノッチフィルタと、
前記モータ位置と前記第１の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第２の信号を出力する第２のノッチフィルタと、
前記第２の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第１の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記モータ位置に対して前記加算器の出力信号を前記新たなモータ位置として出力することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
位置指令を生成して出力する指令生成部と、
前記位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算してトルク指令を演算して出力する位置速度制御部と、を備え、前記トルク指令に基づいて前記位置検出器付きモータと前記モータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、
前記トルク指令に対して、前記トルク指令における特定周波数のゲイン特性を下げて新たなトルク指令として出力するノッチフィルタを備え、
前記ノッチフィルタが、前記トルク指令を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第１の信号を出力する第１のノッチフィルタと、
前記トルク指令と前記第１の信号とを減算する減算器と、
前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第２の信号を出力する第２のノッチフィルタと、
前記第２の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、
前記第１の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、
前記トルク指令に対して前記加算器の出力信号を前記新たなトルク指令として出力することを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノッチフィルタにおける中心周波数のゲイン特性を維持すると共に、振動極を持たずにゲイン特性と位相特性を改善でき、また、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるフィルタとそれを備えたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のノッチフィルタを備えたモータ制御装置は、複数のノッチフィルタを備え、機械共振に起因する発振が生じたときに、ノッチフィルタ選択手段が、周波数推定手段が推定した発振周波数と複数のノッチフィルタの有効・無効の設定状態及びノッチ周波数とに基づき、ノッチフィルタの中から適切な１つを選択し、その選択されたノッチフィルタにノッチ周波数設定手段が発振周波数をノッチ周波数として設定するものであり、機械装置が複数の機械共振を持つ場合でもその複数の機械共振に起因する各発振をそれぞれ抑制でき、かつ、経年変化など何らかの原因で機械装置の共振周波数が変化した場合でもノッチフィルタのノッチ周波数の変更を安定かつ自動的に行なうことが記載されている（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８８１２４号公報（第３−５頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のノッチフィルタを備えたモータ制御装置は、複数のノッチフィルタを直列に備えているが、ある伝達関数のノッチフィルタを直列で配置した場合、その位相特性やゲイン特性は足し合わされるため、一番低い共振周波数以下の位相が大きく遅れてしまい、結果としてモータ制御装置における制御ゲインが上がらず、位置応答が遅くなるという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ノッチフィルタにおける中心周波数のゲイン特性を維持すると共に、振動極を持たずに中心周波数以外のゲイン特性を改善し、中心周波数以下の位相の遅れを改善することができ、また、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるノッチフィルタとそれを備えたモータ制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するため、本発明の代表的な構成は、次のように構成したのである。
ノッチフィルタが、入力信号における特定周波数のゲイン特性を下げるノッチフィルタであって、入力信号を入力し、特定周波数のゲイン特性を下げた第１の信号を出力する第１のノッチフィルタと、入力信号と第１の信号とを減算する減算器と、減算器の出力信号を入力し、特定周波数のゲイン特性を下げた第２の信号を出力する第２のノッチフィルタと、第２の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、第１の信号と、ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、入力信号に対して加算器の出力信号を出力することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の他の代表的な構成は、次のように構成したのである。
モータ制御装置が、位置指令を生成して出力する指令生成部と、位置指令と位置検出器で検出するモータ位置とが一致するように制御演算して電力供給指令を演算して出力する制御部と、を備え、位置検出器付きモータとモータに結合される負荷とで構成される制御対象を駆動するモータ制御装置であって、位置指令に対して、位置指令における特定周波数のゲイン特性を下げて新たな位置指令として出力するノッチフィルタを備え、ノッチフィルタが、前記ノッチフィルタが、前記位置指令を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第１の信号を出力する第１のノッチフィルタと、前記位置指令と前記第１の信号とを減算する減算器と、前記減算器の出力信号を入力し、前記特定周波数のゲイン特性を下げた第２の信号を出力する第２のノッチフィルタと、前記第２の信号とゲインとを乗算するゲイン乗算部と、前記第１の信号と、前記ゲイン乗算部の出力信号とを加算する加算器と、を備え、前記位置指令に対して前記加算器の出力信号を前記新たな位置指令として出力することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の代表的な構成によると、第１のノッチフィルタで除去した信号成分をもう一度第２のノッチフィルタに通し、ゲインＫ倍して足し戻すため、第１のノッチフィルタで除去された中心周波数以外の成分が復元でき、ノッチフィルタによる中心周波数以外のゲインの低下や位相の遅れを小さくできる。また、通常のノッチフィルタに対して、振動極を持たずに中心周波数以外のゲイン特性を改善し、中心周波数以下の位相の遅れを改善することができるため、制御対象が近い周波数の複数の共振を有する場合なども、ノッチフィルタで設定した周波数以外の共振を励起せず振動をそれほど増大させず、システムの応答を改善することができる。更に、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるため、使用目的に応じて最適なフィルタが設計できる。
【０００９】
本発明の他の代表的な構成によると、通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合に比べて、振動抑制しつつ位相遅れを小さくできるため、モータの位置決め応答を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施例におけるモータ制御装置のブロック図
【図２】本発明の第１実施例におけるノッチフィルタの構成を説明するブロック図
【図３】本発明の第２実施例におけるモータ制御装置のブロック図
【図４】本発明の第３実施例におけるモータ制御装置のブロック図
【図５】通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果
【図６】本発明の第１実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果
【図７】本発明の第２実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果
【図８】本発明の実施形態におけるノッチフィルタの入出力周波数特性図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１実施例におけるモータ制御装置のブロック図である。図において、モータ制御装置は、指令生成部１、ノッチフィルタ２、位置・速度制御部３、電流制御部４で構成され、負荷６を結合したモータ５（制御対象７）を駆動するための電力を供給するものである。
指令生成部１は、制御対象７を駆動するための位置指令ｘｒを生成する。後述するノッチフィルタ２は、位置指令ｘｒから周波数ωｎのゲインを小さくし、新たな位置指令ｘｒ’を出力する。位置・速度制御部３は、新たな位置指令ｘｒ’と位置検出部８で検出されたモータ位置ｘｍが一致するように制御演算を行ない、トルク指令ｔｒｅｆを出力する。ここでは位置比例、速度比例積分制御を行う場合を例に挙げるが、制御方法はこれに限るものではない。電流制御部４は、トルク指令ｔｒｅｆに応じた電流制御を行い、電圧指令ｖｒを出力する。なお、モータ制御装置は、この電圧指令ｖｒを電力に変換する電力変換器を備えるが、ここではその詳細な説明を省略する。また、位置・速度制御部３、電流制御部４を１つの制御部と見た場合、この制御部は駆動する制御対象７に対して電力供給指令を出力するものと見ることができる。
【００１３】
図２は、本発明の第１実施例におけるノッチフィルタの構成を説明するブロック図である。図において、ノッチフィルタ２０は、第１のノッチフィルタ２１、第２のノッチフィルタ２３、減算器２２、ゲイン乗算部２４、加算器２５で構成される。
第１のノッチフィルタ２１は、式（１）で表される伝達関数をもつものである。
【００１４】
【数１】
0005402649.tif 000002
【００１５】
ここで、ωｎ：ノッチ中心周波数、ζ１：分子側減衰係数、
ζ２：分母側減衰係数である。
第２のノッチフィルタ２３は、式（２）で表される伝達関数をもつものであり、第１のノッチフィルタ２１とその中心周波数ωｎが同じものである。
【００１６】
【数２】
0005402649.tif 000003
【００１７】
ここで、ωｎ：ノッチ中心周波数、ζ３：分子側減衰係数、
ζ４：分母側減衰係数である。
【００１８】
減算器２２は、第１のノッチフィルタ２１の入力信号から、第１のノッチフィルタ２１の出力信号ｘａ１を減算した信号ｅｘを出力する。ゲイン乗算部２４は、信号ｅｘを入力した第２のノッチフィルタ２３の出力信号ｘａ２にゲインＫを乗じる。加算器２５は、第１のノッチフィルタ２１の出力信号ｘａ１とゲイン乗算器２４の出力信号とを加算する。
【００１９】
このように構成したノッチフィルタ２０の入力信号から出力信号までの伝達関数は式（３）で表される。
【００２０】
【数３】
0005402649.tif 000004
【００２１】
第１のノッチフィルタ２１における分母側減衰係数ζ２と第２のノッチフィルタ２３における分母側減衰係数ζ４が１以上であれば、このフィルタは振動極を持たないのである。
【００２２】
次に、本発明の第１実施例におけるノッチフィルタと通常のノッチフィルタ（第１のノッチフィルタのみで構成したもの）をそれぞれモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果を示す。
シミュレーションに際して、図１における位置・速度制御部３、電流制御部４、モータ５を一次遅れのローパスフィルタ（カットオフ周波数１５ｒａｄ／ｓ）で近似した。また、負荷６は、モータ位置ｘｍから負荷位置ｙまでの伝達特性が、式（４）に示すような共振周波数ω１とω２の２次遅れ系の伝達関数が直列に繋がった構成とした。この場合、負荷６は、共振周波数ω１と共振周波数ω２の２つの共振モードを持つことになる。
【００２３】
【数４】
0005402649.tif 000005
【００２４】
ここで、ｄ１：共振周波数ω１の減衰係数、ｄ２：共振周波数ω２の減衰係数であって、それぞれの値は、共振周波数ω１＝１０×２π［ｒａｄ／ｓ］、ω２＝１０．５×２π［ｒａｄ／ｓ］、共振周波数ω１の減衰係数ｄ１＝０．０、共振周波数ω１の減衰係数ｄ２＝０．４である。
【００２５】
図５は、通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果である。横軸は時間軸、縦軸は位置である。また、通常のノッチフィルタは、式（１）で示される第１のノッチフィルタのみで構成したものに相当するものである。
この場合、共振周波数ω１の減衰係数ｄ１が、共振周波数ω２の減衰係数ｄ２に対して小さいため、通常のノッチフィルタは、共振周波数ω１の共振を抑制するようにωｎ＝ω１，ζ１＝ｄ１に設定する。
図において、位置指令に対するモータ位置の位置応答を早くするために、ノッチフィルタパラメータである分母側減衰係数ζ２を１から徐々に小さくしていき、上段はζ２＝１、中段はζ２＝０．５、下段はζ２＝０．２の時の波形である。
分母側減衰係数ζ２を小さくしていくと位置応答は速くなっていくが、式（１）の伝達関数が振動極を持つため、共振周波数ω２の方の共振を励起してしまい、大きな振動が発生している（下段図参照）。下段図において、位置指令に対するモータ位置は０．２秒後には目標値にほぼ一致しているが、その後の振動が大きく、０．４秒ぐらいまで振動の影響が大きい。
【００２６】
図６は、式（３）に示す本発明の第１実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果である。横軸は時間軸、縦軸は位置である。
ここで、制御対象は式（４）で表され、負荷パラメータである共振周波数ω１＝１０×２π［ｒａｄ／ｓ］、ω２＝１０．５×２π［ｒａｄ／ｓ］、共振周波数ω１の減衰係数ｄ１＝０．０、共振周波数ω１の減衰係数ｄ２＝０．４とする。
この場合、共振周波数ω１の減衰係数ｄ１が、共振周波数ω２の減衰係数ｄ２に対して小さいため、ノッチフィルタは、共振周波数ω１の共振を抑制するようにωｎ＝ω１，分子側減衰係数ζ１，ζ３＝ｄ１とし、振動極を持たないように分母側減衰係数ζ２，ζ４＝１．０とする。
パラメータＫを大きくしていくと位置応答は速くなっていき、式（３）の伝達関数が振動極を持たないため、共振周波数ω２の方の共振を励起せず、大きな振動が発生しておらず、位置応答が収束する時間が、十分早くなっている（下段図参照）。下段図において、位置指令に対するモータ位置は０．２秒後には目標値に一致しており、その後の振動もそれほど大きくなっていない。
【００２７】
このように本発明の第１実施例におけるモータ制御装置によると、パラメータＫを調整することで、振動極を持たずにノッチフィルタの遅れを改善することができるため、複数の共振周波数が近傍にあるような制御対象に対して、ノッチフィルタにおける中心周波数ωｎに設定した周波数以外の近傍の振動を励起せず、位置決め応答を早くすることができる。
【実施例２】
【００２８】
図３は、本発明の第２実施例におけるモータ制御装置のブロック図である。図において、モータ制御装置は、指令生成部１、ノッチフィルタ２、位置・速度制御部３、電流制御部４で構成され、負荷６を結合したモータ５（制御対象７）を駆動するための電力を供給するものである。
本実施例のモータ制御装置が、第１実施例のモータ制御装置と異なる点は、ノッチフィルタ２が指令生成部１の出力である位置指令ｘｒではなく、位置・速度制御部３の出力であるトルク指令ｔｒｅｆに対して、適用されている点である。その他の同一符号が付された構成は、同一の作用効果をそうするものであるため、詳細の説明を省略する。
【００２９】
シミュレーションに際して、図３における位置・速度制御部３は、位置比例制御（比例ゲイン１００［ｒａｄ／ｓ］）、速度比例制御（比例ゲイン６００［ｒａｄ／ｓ］）とし、電流制御部４は応答が十分速いとして省略した。また、負荷６は、モータ位置ｘｍから負荷位置ｙまでの伝達特性が、式（５）に示すような共振周波数をω３とする２次遅れ系の伝達関数で表される構成とした。
【００３０】
【数５】
0005402649.tif 000006
ここで、負荷パラメータである共振周波数ω３＝１００×２π［ｒａｄ／ｓ］、共振周波数ω３の減衰係数ｄ３＝０．０とする。
【００３１】
図７は、本発明の第２実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合のシミュレーション結果である。横軸は時間軸、縦軸は位置である。
上段図は、ノッチフィルタを適用しない場合、中段図は、式（１）で示される第１のノッチフィルタのみで構成した通常のノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合、下段図は、本発明の第２実施例におけるノッチフィルタをモータ制御装置に適用した場合、のものである。
図において、上段図では、制御対象７が１００Ｈｚの共振系であるのに対して、位置・速度制御部３の制御ゲインが高いため、モータ位置である応答が発振している。中段図では、通常のノッチフィルタを用いることで発振せず安定に応答しているが、位置決め時に振動が大きく残ってしまっている。この振動は、通常のノッチフィルタの各パラメータを調整してもおさまらない。下段図では、本発明の第２実施例におけるノッチフィルタの各パラメータを、共振周波数ωｎをω３と同じ値である１００×２π、ノッチフィルタパラメータである分子側減衰係数ζ１，ζ３をｄ３と同じ値である０．０、分母側減衰係数ζ４＝０．１６、ゲインパラメータＫ＝０．００６６に設定することで、通常のノッチフィルタを適用した場合と比較して、十分に位置決め時の振動が小さくできている。
【００３２】
このように、本発明の第１，２実施例におけるノッチフィルタと、それを備えたモータ制御装置は、通常のノッチフィルタが、分子と分母の減衰係数ζ１、ζ２を調整できるだけなのに対し、２つのノッチフィルタの分子と分母の減衰係数ζ１、ζ２、ζ３、ζ４とゲインＫとの５つのパラメータを持ち、ノッチフィルタの特性を詳細に設計できるため、位置決め動作時の振動を低減することができるのである。
【実施例３】
【００３３】
図４は、本発明の第３実施例におけるモータ制御装置のブロック図である。図において、モータ制御装置は、指令生成部１、ノッチフィルタ２、位置・速度制御部３、電流制御部４で構成され、負荷６を結合したモータ５（制御対象７）を駆動するための電力を供給するものである。
本実施例のモータ制御装置が、第１実施例のモータ制御装置と異なる点は、ノッチフィルタ２が指令生成部１の出力である位置指令ｘｒではなく、位置検出部８の出力であるモータ位置ｘｍに対して、適用されている点である。その他の同一符号が付された構成は、同一の作用効果をそうするものであるため、詳細の説明を省略する。
この場合も、第１または２実施例と同様に、通常のノッチフィルタと比較して位置決め時の振動を低減する効果がある。
【００３４】
ここで、本発明の実施形態におけるノッチフィルタと、通常のノッチフィルタとの入出力周波数特性を比較する。なお、通常のノッチフィルタは、式（１）で示される第１のノッチフィルタのみで構成したものに相当するものである。
図８は、本発明の実施形態におけるノッチフィルタの入出力周波数特性図である。図において、上段はゲイン特性、下段は位相特性、上段縦軸はゲイン、下段縦軸は位相、横軸は周波数である。また、本発明の実施形態におけるノッチフィルタは実線、通常のノッチフィルタは破線である。
本発明の実施形態におけるノッチフィルタは、そのゲインＫのみを調整することにより、その中心周波数（図示では５Ｈｚ）のゲイン特性（図示では−４０ｄＢ）を維持すると共に、中心周波数以外のゲイン特性を上げ（図示矢印）、かつ中心周波数以下の位相の遅れを少なく（図示矢印）することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
振動極を持たずにノッチフィルタにおける中心周波数以外のゲイン特性を改善し、中心周波数以下の位相の遅れを改善することができるため、制御対象が近い周波数の複数の共振を有する場合なども、ノッチフィルタで設定した周波数以外の共振を励起せずにノッチフィルタによる入力信号からの遅れを小さくすることができ、また、フィルタの特性を通常のノッチフィルタよりも詳細に設計できるため、単軸のモータ制御装置だけでなく複数軸からなる産業用ロボットなどの振動抑制にも適用できる。この場合、教示された手先座標系での位置指令にも適用することができるし、また、各軸の指令に変換した後の各軸位置指令にも適用することができる。また更に、このノッチフィルタはモータ制御に限定したものではないため、プラントや電気回路、信号処理などの振動抑制等にも適用できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  指令生成部
２  ノッチフィルタ
３  位置・速度制御部
４  電流制御部
５  モータ
６  負荷
７  制御対象
８  位置検出部
２０  ノッチフィルタ
２１  ノッチフィルタ１
２２  減算器
２３  ノッチフィルタ２
２４  ゲイン乗算部
２５  加算器
【図１】
0005402649.tif 000007
【図２】
0005402649.tif 000008
【図３】
0005402649.tif 000009
【図４】
0005402649.tif 000010
【図５】
0005402649.tif 000011
【図６】
0005402649.tif 000012
【図７】
0005402649.tif 000013
【図８】
0005402649.tif 000014